Sustainable Separation of Actinides and Rare Earth Elements Using Sorbitol-Oleic Acid Derived Bio-Based Solvents: Synthesis and Extraction Performance

في العالم الحديث، تحدث ثورة هادئة في المواد التي تشغل تقنياتنا. فمن المغناطيسات في المحركات الكهربائية إلى الشاشات في أجهزتنا، تعد مجموعة من العناصر المعروفة باسم "العناصر الأرضية النادرة" ضرورية للغاية. غالبًا ما توجد هذه العناصر مختلطة معًا في قشرة الأرض، ولأنها متشابهة كيميائيًا إلى حد كبير، فإن فصلها عملية صعبة وفوضوية. وللقيام بذلك، يستخدم العلماء عملية تسمى "الاستخلاص بالمذيبات"، وهي في الأساس طريقة لغسل خليط من المعادن بسائل خاص يمسك بعناصر محددة ويترك غيرها. ولعقود من الزمن، كانت السوائل المستخدمة لهذا الغسل تُصنع من البترول، وهو وقود أحفوري. تعمل هذه الكيماويات التقليدية بشكل جيد، لكنها سامة، وقابلة للاشتعال، ويصعب التخلص منها بأمان في نهاية عمرها، مما يترك بصمة بيئية ثقيلة على ذات الصناعات التي تحاول بناء مستقبل أكثر نظافة.

لقد عزم فريق من الباحثين في جامعة إيجة في تركيا على حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من سوائل الغسيل المصنوعة من الطبيعة. فبدلاً من استخدام البترول، لجأوا إلى "السوربيتول"، وهو كحول سكري موجود في الفواكه، و"حمض الأوليك"، وهو دهن شائع يوجد في زيت الزيتون. ومن خلال تفاعل هذين المكونين الطبيعيين معًا، ابتكروا مذيبًا حيويًا يمكنه فصل المعادن القيمة عن المعادن المشعة. لم يكن الهدف مجرد العثور على بديل أكثر رفقًا بالبيئة، بل لمعرفة ما إذا كان بإمكان مادة مصنوعة من مواد صالحة للأكل القيام بالمهمة الدقيقة المتمثلة في فصل الثوريوم واليورانيوم —وهي عناصر تستخدم في الطاقة النووية— عن العناصر الأرضية النادرة اللازمة للتكنولوجيا الخضراء. وتظهر النتائج أنه بينما لا تملك هذه المذيبات الحيوية الجديدة نفس قوة العمالقة الكيميائيين القدامى، إلا أنها تقدم مسارًا واعدًا ومستدامًا لنوع محدد من الفصل الذي يعد أمرًا بالغ الأهمية لمستقبل الطاقة النظيفة.

بدأ الباحثون بخلط الكحول السكري والحمض الدهني في مفاعل زجاجي، وتسخين الخليط إلى درجات حرارة عالية لتشجيعهما على الارتباط. ومع تقدم التفاعل، راقبوا التغيرات الكيميائية، وهم يراقبون تحول الأجزاء الحمضية من جزيئات الزيت إلى روابط إسترية، وهي نوع من الروابط الكيميائية التي تمنح السائل الجديد خصائصه الفريدة. لقد صنعوا نسختين من هذا المذيب الجديد، إحداهما بنسبة مختلفة قلي bit من المكونات عن الأخرى، وأسموهما SOA2 وSOA3. وللتأكد من نجاحهم في إنشاء المادة الجديدة، استخدموا أدوات تصوير متقدمة للنظر في البنية الجزيئية، ووجدوا أدلة واضحة على الروابط الإسترية الجديدة التي لم تكن موجودة في السكر أو الزيت الأصليين. كما قاموا بقياس مدى حموضة السائل، ملاحظين انخفاضًا حادًا في الحموضة مع اكتمال التفاعل، مما أشار إلى نجاح عملية التحول.

بمجرد أن أصبحت المذيبات الجديدة جاهزة، وضعها الفريق قيد الاختبار في سلسلة من التجارب المصممة لمعرفة مدى قدرتها على سحب معادن محددة من محلول مائي. فقد صنعوا خليطًا يحتوي على الثوريوم، واليورنيوم، وعدة عناصر أرضية نادرة، جميعها بنفس التركيز، وخلطوها مع المذيبات الحيوية الجديدة. وقاموا بضبط حموضة الماء ووقت ترك السوائل لتختلط بعناية، مراقبين أي المعادن ستنتقل إلى المذيب الجديد وأيها سيبقى خلفها. كانت النتائج كاشفة؛ فعند مستويات الحموضة المنخفضة، واجهت المذيبات الجديدة صعوبة في جذب المعادن، حيث تتنافس أيونات الهيدروجين في الماء بقوة كبيرة. ومع ذلك، بمجرد رفع درجة الحموضة (pH) إلى مستوى متوسط، بدأت المذيبات في العمل بفعالية.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة هو القدرة على التمييز بين الأكتينيدات المشعة والعناصر الأرضية النادرة. فعند تحسين الظروف، تمكنت المذيبات الجديدة من سحب الثوريوم من الخليط بكفاءة عالية، تاركة العناصر الأرضية النادرة خلفها في الماء. وفي إحدى أفضل الحالات، استطاع المذيب الجديد فصل الثوريوم عن العناصر الأرضية النادرة بمعامل انتقائية يزيد عن 1,800، مما يعني أنه كان أكثر عرضة بكثير للإمساك بالثوريوم مقارنة بالعناصر الأرضية النادرة. ويعد هذا إنجازًا كبيرًا لأن هاتين المجموعتين من العناصر يصعب التمييز بينهما بشكل ملحوظ. كما أظهر المذيب تفضيلًا قويًا لليورانيوم على العناصر الأرضية النادرة، وإن كان أقل فعالية في فصل اليورانيوم عن الثوريوم.

لفهم كيفية مقارنة هذه المذيبات الجديدة بالمعيار الصناعي، وضعها الباحثون في مواجهة اثنين من المستخلصات الكيميائية المعروفة، وهما "سيانيكس" (Cyanex) و"D2EHPA"، المصنوعين من البترول. وأظهرت المقارنة وجود مقايضة واضحة؛ فالكيماويات التقليدية القائمة على البترول كانت أكثر عدوانية، حيث كانت تمسك بكل نوع من أنواع المعادن في الخليط بغض النظر عن نوعها، وتفعل ذلك بسرعة كبيرة. هذه القدرة العالية مفيدة لبعض المهام الصناعية، لكنها تجعل من الصعب فصل معدن عن آخر. في المقابل، كانت المذيبات الحيوية الجديدة أكثر انتقائية؛ فهي لم تمسك بعدد كبير من المعادن إجمالًا، لكنها كانت أفضل بكثير في اختيار المعادن الصحيحة. لقد عملت مثل مرشح لطيف، يسمح للعناصر المشعة بالمرور بينما يحجز العناصر الأرضية النادرة، أو العكس، اعتمادًا على الظروف.

اقترح الباحثون أن هذا الاختلاف يعود إلى كيفية تفاعل الكيماويات مع المعادن. فالكيماويات البترولية التقليدية تعمل مثل المغناطيسات القوية، حيث تشكل روابط أيونية وثيقة مع أيونات المعادن. هذا القبض القوي يسمح لها بسحب أي شيء تقريبًا، لكنه يجعل من الصعب أن تكون "انتقائية". أما المذيبات الحيوية الجديدة، فتعمل من خلال آلية ألطف؛ فهي تحيط بأيونات المعادن وتحل محل جزيئات الماء التي تلتصق بها عادةً، وهي عملية مدفوعة بقوى أضعف. ولأن هذا القبض أكثر لطفًا، فإن المذيب أقل عرضة لسحب المعادن المرتبطة بقوة بالماء، وهو ما ينطبق على العديد من العناصر الأرضية النادرة. هذا الاختلاف الدقيق في كيفية الإمساك بالمعادن هو ما يمنح المذيب الحيوي قدرته على الانتقائية، حتى لو كان ذلك يعني عدم قدرته على حمل كمية أكبر من المعدن في وقت واحد.

وعندما نظر الفريق في كيفية وقوف مذيباتهم الجديدة أمام المذيبات الحيوية أو المحايدة الأخرى الواردة في الأدبيات العلمية، وجدوا أن الأداء كان تنافسيًا. فمعاملات الفصل التي حققوها كانت قابلة للمقارنة مع الخيارات المتقدمة الأخرى غير القائمة على البترول، مما يشير إلى أن مشتقات السكر والزيت هذه تعد منافسًا حيويًا في هذا المجال. ومع ذلك، سلطت الدراسة الضوء أيضًا على أحد القيود؛ فبينما كانت المذيبات الجديدة ممتازة في الانتقائية، كانت قدرتها الإجمالية على حمل المعادن أقل من الكيماويات البترولية العدوانية. وهذا يعني أنه بالنسبة للاستخدام الصناعي واسع النطاق، قد يلزم استخدام المزيد من المذيب الجديد لمعالجة نفس الكمية من المواد، أو قد تحتاج العملية إلى تعديل للتعامل مع المحاليل المركزة بشكل مختلف.

تخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من أن مذيبات السوربيتول وحمض الأوليك ليست بديلاً مثاليًا لكل الاحتياجات الصناعية، إلا أنها تمثل خطوة مهمة نحو تكرير المعادن المستدام. فهي توفر وسيلة لفصل المواد الحرجة دون الاعتماد على الوقود الأحفوري ودون توليد نفس المستوى من النفايات السامة. ويقترح الباحثون أن مستقبل هذه التكنولوجيا يكمن في تطوير هذه المذيبات الحيوية لزيادة قدرتها الاستيعابية دون فقدان انتقائيتها. أحد المسارات المحتملة للمضي قدمًا هو تصميم نسخ بوليمرية من هذه المذيبات تجمع بين الطبيعة اللطة والانتقائية للمادة الحيوية وبين مجموعات ربط أقوى. وحتى ذلك الحين، يثبت هذا العمل أنه من الممكن إنشاء أدوات فصل عالية الأداء من موارد متجددة، مما يوفر بديلًا أنظف للصناعات التي تشغل عالمنا الحديث.